DIPLOMOVÁ PRÁCE VUT FSI

DIPLOMOVÁ PRÁCE VUT FSI

Bc. Ondřej Soudek

S t r a n a |3


ABSTRAKT Předmětem diplomové práce je simulace tepelné zátěţe vysoce prosklené administrativní budovy společnosti Microsoft na Vyskočilově ulici v Praze. Na základě simulace jsou porovnávány vlivy zeměpisné orientace prosklených stěn a druhy zastínění. Pro přesnější popis vlivu zeměpisné orientace je simulována tepelná zátěţ fiktivní místnost o konstatních rozměrech společně s aplikováním různých druhů stínících prvků. Veškeré simulace jsou provedeny v programu TRNSYS 16.1.

KLÍČOVÁ SLOVA Tepelná zátěţ, stínící prvky, zeměpisná orientace, slunolamy, ţaluzie

ABSTRACT The thesis deals with simulation of solar gains in highly glazed administration building of Microsoft company on Vyskocilova Street in Prague. Effects of the geographical orientation and types of shading are compared on the base of the current simulation. For a more precise description of the effect of geographical orientation is simulation of solar gains in fictive office room with constant dimension together with applying different types of shielding. All the simulations are performed in TRSNYS 16.1 software.

KEY WORDS Heat loads, shielding, geographical orientation, sun blinds

Bc. Ondřej Soudek


BIBLIOGRAFICKÁ CITACE SOUDEK, O. Simulace vlivu zeměpisné orientace na letní klimatickou zátěž vysoce prosklených kancelářských prostor. Brno: Vysoké učení technické v Brně, Fakulta strojního inţenýrství, 2011. 51 s. Vedoucí diplomové práce doc. Ing. Michal Jaroš, Dr.

Bc. Ondřej Soudek


ČESTNÉ PROHLÁŠENÍ Prohlašuji, ţe jsem celou diplomovou práci vypracoval samostatně pod vedením pana doc. Ing. Michala Jaroše, Dr. společně s pouţitím uvedené literatury. V Brně, dne 27. května 2011 ................................... Bc. Ondřej Soudek

Bc. Ondřej Soudek


PODĚKOVÁNÍ Na tomto místě bych rád poděkoval panu doc. Ing. Michalu Jarošovi, Dr. (FSI VUT v Brně, ústav OTTP) za vedení, cenné rady a připomínky při tvorbě této práce. Dále pak Ing. Pavlu Charvátovi, Ph. D. a Ing. Ondřeji Pechovi (oba FSI VUT v Brně, ústav OTTP) za odbornou pomoc a ochotu při tvorbě simulace v programu TRNSYS 16.1.

Bc. Ondřej Soudek


OBSAH 1 ÚVOD.......................................................................................................................... 10 2 BUDOVA ALPHA ...................................................................................................... 11 2.1

Účel budovy .................................................................................................... 11

2.2

Charakteristika budovy ................................................................................. 12

2.3

Technické provedení..................................................................................... 13

2.4

Podklady pro výpočet.................................................................................... 16

3 METODY SNÍŢENÍ TEPELNÝCH ZISKŮ ............................................................. 17 3.1

Archtektonický návrh objektu....................................................................... 17

3.2

Orientace ke světovým stranám.................................................................. 18

3.3

Druh a velikost prosklení .............................................................................. 20

3.4

Stínící technika .............................................................................................. 22

3.5

Alternativní způsoby chlazení ...................................................................... 25

3.6

Tepelné zisky od vnitřních zdrojů ............................................................... 26

4 POPIS SIMULOVANÝCH MÍSTNOSTÍ ................................................................. 27 5 PROGRAM TRNSYS 16.1 ...................................................................................... 29 6 MODELACE............................................................................................................... 30 6.1

Objekt .............................................................................................................. 30

6.2

Nastavení vstupů ........................................................................................... 31

6.3

Stínění ............................................................................................................. 33

6.4

Orientace oken ............................................................................................... 35

7 VYHODNOCENÍ VÝSLEDKŮ ................................................................................. 36 7.1

Průběh teplot v různě orientovaných místnostech ................................... 36

7.2

Tepelná zátěţ dle druhů stínění .................................................................. 38

7.3

Porovnání vlivu exteriérových a interiérových ţaluzií .............................. 39

7.4

Shrnutí druhů stínění na budově ALPHA .................................................. 39

8 ZOBECNĚNÍ VLIVŮ NA FIKTIVNÍ MÍSTNOSTI .................................................. 40 8.1

Vliv stínících prvků ........................................................................................ 41

8.2

Vliv druhu prosklení....................................................................................... 43

8.3

Vliv velikosti prosklení ................................................................................... 44

Bc. Ondřej Soudek

S t r a n a |8


8.4

Vyhodnocení vlivů pro sníţení solárních zisků ......................................... 45

9 ZÁVĚR ........................................................................................................................ 46 10 SEZNAM POUŢITÉ LITERATURY ...................................................................... 47

Bc. Ondřej Soudek

S t r a n a |9


1

ÚVOD

Kdyţ se uznávaný švýcarský architek Le Corbusier, vl. jménem CharlesÉdouard Jeanneret (1887 – 1965), řídil heslem „dát lidem slunce a světlo“, patrně nečekal, ţe ve 21. století bude lidstvo hledat způsoby, jak předejít mnohdy neţádoucím tepelným ziskům ze slunečního záření. Především v letních a přechodových měsících je toto záření překáţkou a vede k nárůstu teplot uvnitř vysoce prosklených místností. Při architektonickém řešení kancelářských budov je třeba navrhnout nejvhodnější kombinaci pro vysokou světelnost objektu a nízké tepelné zisky prosklením. Pracovní prostory a sídla firem uţ totiţ zdaleka nejsou pouze o splnění vhodných podmínek pro daný účel. S vývojem stavebních konstrukcí a posunem kvality stavebních materiálů a moţností se z administrativních budov stávají honosná a reprezentativní sídla, ve kterých se promítají vize majitelů a architektů. V úplném rozletu však brání neustále se zvyšující ceny energií, které jdou ruku v ruce s nutností navrhovat budovy tak, aby byly co nejúspornější. Při navrhování nových budov se proto musí přihlédnout ke mnoha aspektům. Je nezbytně nutné najít určitý kompromis, aby sídlo navenek působilo esteticky a honosně, a zároveň skýtalo uţivatelům vhodné prostředí pro 100% pracovní nasazení a výsledky. Zejména zachování příznivé tepelné pohody se velmi výrazně promítne do pracovního výkonu. Teploty uvnitř budovy díky velkým proskleným plochám nepříjemně narůstají a proto se musí volit správný druh odstínění slunečního záření. Jiţ v dávných dobách lidstvo vyuţívalo ke stínění stromy, které v létě díky olistnatění sluneční záření nepropouštěly a v zimě, kdy listy opadaly, záření do místností prostupovalo. Stejný algoritmus je třeba hledat u moderních stínících prvků, a to aby přes léto značně omezily přístup slunečního záření do místnosti (avšak za stále komfortního osvětlení) a naopak v zimě sluneční energii propouštěly a tím sniţovaly tepelnou ztrátu budov. Z tohoto hlediska je nutné při navrhování vysoce prosklených budov pečlivě zváţit moţnosti zastínění a pouţití co nejvhodnějších a pokud moţno také co nejekonomičtějších materiálů. U nových objektů v plně rozvinuté době informačních technologií můţeme krom početních metod vyuţít i různé simulační programy, které nám pomohou s velmi detailním řešením daných problémů. Na základě vyhodnocení různých simulací můţeme snadněji navrhovat výsledný projekt. Slunci, větru a dešti i nadále nejsme schopni poručit, nicméně kvalitní přípravou a metodami zkoumání můţeme spoustu nepříznivých aspektů omezit a případně je i vyuţít ku prospěchu svému.

Bc. Ondřej Soudek

S t r a n a | 10


2

BUDOVA ALPHA

Předmětem diplomové práce je sídlo společnosti Microsoft – budova Alpha (obr. 1). Zkoumaný objekt se nachází v hlavním městě Praha na ul. Vyskočilově a je nejexponovanější budovou celého areálu Brumlovky. Tato administrativní budovy byla uvedena do provozu roku 2003. Objekt je situován na sjezdu z praţského okruhu z ulice 5. Května na ulici Vyskočilova. Svým uspořádáním a technickým řešením splňuje předpoklady pro náročnější navrhnutí systému chlazení společně s promyšleným systémem stínění.

Obr. 1 – Budova Alpha, ul. Vyskočilova, Praha [1]

2.1

Účel budovy

Budova slouţí jako kancelářský objekt, který poskytuje zaměstnancům vhodné prostory pro vykonávání jejich pracovní náplně a v administrativní části je kapacitně připravena pro cca 960 osob. Společnost Microsoft vyuţívá pro své účely pouze dvě patra budovy ALPHA. Pracovní doba je díky filosofii a přístupu firmy značně individuální, proto předpokládejme její plné vyuţití v pracovní dny od 8 00 do 18 00 hod. Vnitřní vybavení jednotlivých podlaţí je ve stylu dnešní dobou velmi rozšířených kójí, tzv. „open space“. Při navrhování budovy bylo vycházeno z obsazenosti ploch, a to takto [2]: Kanceláře Zasedací místnosti

Bc. Ondřej Soudek

Obsazenost 7 m2/os 2 m2/os

Osvětlení 10 W.m-2 10 W.m-2

S t r a n a | 11


2.2

Charakteristika budovy

Objekt trojúhelníkového půdorysu se zaoblenou přeponou situovanou na JZ je znázorněn na obr. 2. Strana budovy ústící na ul. Vyskočilovu je situovaná na sever.

Obr. 2 – Umístění budovy Alpha Čtyři podzemní podlaţí skýtají parkovací místa pro osobní automobily, v 1. NP je vstupní hala, dvě obchodní plochy a kuchyně s jídelnou pro zaměstnance včetně skladového a sociálního zázemí. Součástí 1. NP je také strojovna vzduchotechniky. Ve 2. – 8. podlaţí jsou umístěny kancelářské místnosti včetně technického a sociálního zázemí. Poslední podlaţí slouţí z části i jako technické zázemí objektu, zároveň je zde situována terasa a zelená pochozí střecha s intenzivní zelení. Celý objekt je projektován ve standardu soudobé vyspělé administrativní budovy s příslušnou kvalitou osvětlení, nuceného větrání a chlazením vnitřního prostředí. Středem budovy prochází zastřešené vertikální atrium pro optimální osvětlení prostor do něj orientovaných. Kryté je plochým proskleným světlíkem. Vnější obálka budovy je ve značné míře prosklená [2].

Bc. Ondřej Soudek

S t r a n a | 12


Technické provedení

2.3 2.3.1

Konstrukce budovy

Statický systém objektu ALPHA je navrţen na základě poţadavků investora s ohledem na vyuţití budovy. Nosným prvkem budovy je ţelezobetonová konstrukce, v podzemní části stěnová, v nadzemní části převáţně skeletová. Ţelezobetonové sloupy jsou o průměru 0,5 m. Výplňové (nenosné) konstrukce Všechny příčky jsou navrţeny jako poţárně odolné. Zděné příčky tl. 250 mm jsou pouţity k obestavění výtahové šachty, schodiště a šacht VZT, ZT a ÚT a jsou z Porothermových cihel. Ostatní příčky oddělující zasedací místnosti od chodby a kanceláří jsou montované sádrokartonové typu W112 (100 a 125 mm) s dvojitým opláštěním SDK deskami a vloţenou izolací z minerální vlny 50 mm. Vodorovné nosné konstrukce Nosnou konstrukci stropu tvoří monolitická betonová deska tl. 280 mm. Podhledy Podhledy nad kancelářskými místnostmi jsou minerální akustické kazetové se zabudovanými světly a výustkami. Pro toalety a zázemí jsou voleny SDK podhledy. 2.3.2

Obvodový plášť

Obvodové fasádní konstrukce jsou řešeny uceleným fasádním pláštěm Schüco FW 50+, sestávajícím se ze dvou základních částí. -

Na severní a jihozápadní (u JZ pouze 2. a 3. NP) straně objektu se jedná o sloupkové pevné celoprosklené fasády. Okna jsou osazena vnitřními ţaluziemi.

-

Obloukovitá fasáda (JZ) je velmi silně zatíţena automobilovým provozem z ul. 5. Května (praţský okruh), z tohoto důvodu je ţelezobetonová konstrukce obloţena plechem (TiZn plech Rheizink na systémovém nehořlavém bednění, zatepleno minerální vlnou tl. 120 mm, obklad skládán na rektifikovatelné kotvy) s niţšími horizontálními pásovými okny. Východní fasáda ve směru ke sportovní hale Brumlovka má stejná pásová okna v titanzinkem obloţeném plášti jako obloukovitá fasáda. Oba okenní

Bc. Ondřej Soudek

S t r a n a | 13


pruhy jsou chráněny exteriérovými ţaluziemi. Tepelně technické vlastnosti oken. Pevné neotevíratelné zasklení fasádním sloupkovým systémem, šířka lišty 50 a 200 mm. Zasklení izolačním dvojsklem. Exterierové bezpečnostní sklo Planibel TOP N Clear. Interiérové bezpečnostní sklo 2x FLOAT.

Světelná propustnost: Světelná odrazivost: Solární faktor: Součinitel prostupu tepla:

65 % 14 % 58 % 1,8 W.m-2

Slunolamy a ţaluzie jsou instalovány na východní a jihozápadní straně. Na stavbě jsou umístěny vnější ţaluzie WEREMA 80 A2 RAL 9006 – v modulu fasády, šíře 2700 mm, šíře lamely 80 mm, vedeno lanky. Ovládány jsou lidským faktorem pomocí elektro pohonu. Na jihozápadní straně ve 2. A 3. NP jsou vnější ţaluzie kombinovány se slunolamy (obr. 3). Exteriérový slunolam ocelové konstrukce s PÚ ţářovým pozinkem a komaxitem, lamely obloţeny šablonami z předoxidovaného TiZn plechu Rheizink. Vnitřní ALU ţaluziue v modulu fasády, 1350 mm, vedeno lanky – manuální ovládání.

Obr. 3 - Vnější stínění budovy ALPHA – slunolamy 3. NP

Bc. Ondřej Soudek

S t r a n a | 14


2.3.3

Ústřední vytápění

Objekt ALPHA je zásobován teplem pro vytápění, ohřev větracího vzduchu a přípravu teplé uţitkové vody z vlastní objektové horkovodní výměníkové stanice voda/voda napojené na systém CZT Praţské teplárenské, a.s. 2.3.4

Chlazení

Chlazení, vytápění a úprava poţadovaného mikroklimatu v kancelářích zatíţených osluněním a vnitřní tepelnou zátěţí je zajišťována pomocí jednotek fan-coil. Jednotky jsou v parapetním provedením s opláštěním (u celoplošně zasklených ploch severní stěny mají opláštění i zadní stěny). Jednotky pracují s cirkulačním vzduchem. V jednotce je vzduch filtrován, chlazen nebo dohříván a po úpravě je vyfukován zpět do místnosti mříţkou na horním panelu jednotky. 2.3.5

Vzduchotechnika

Při projektaci budovy ALPHA je počítáno s mnoţstvím červstvého vzduchu čítajícím 50 m3.h-1. Při dodrţení poţadavku 1 osoba/20 m 3 vychází při světlé výšce kancelářského prostoru 3 m na jednu osobu 6,67 m2. V rámci vzduchotechniky je zajištěno nucené teplovzdušné větrání s chlazením a vlhčením kanceláří a zasedacích místností, chlazení cirkulačním vzduchem všech kanceláří a ofukování cirkulačním vzduchem s chlazením a ohříváním střešního zaskleného atria. Vzduchotechnická zařízení v budově ALPHA zajišťují přívod čerstvého vzduchu v zimním i letním období. Distribuce přívodního vzduchu do místností je obdélníkovými výustkami osazenými pod stropem a napojenými na přívodní potrubí. Odvod vzduchu z místností je přes štěrbinu na chodbu a z chodby obdélníkovými výustkami osazenými nad podhledem a napojenými na odsávací potrubí. 2.3.6

Vnitřní vybavení

Vnitřní vybavení je uvaţováno následovně: Kaţdá pracující osoba pouţívá k práci vlastní notebook připojený na externí LCD monitor. V první zóně jsou pak tři multifunkční tiskárny pro účely celého patra.

Bc. Ondřej Soudek

S t r a n a | 15


2.4

Podklady pro výpočet

Vychází z technické zprávy budovy ALPHA, prostupy tepla v tab. 1. Stavební konstrukce nebo otvorová výplň

Výpočtová hodnota U [W/K m2]

Střecha plochá se sklonem do 5° včetně.

0,206

Strop pod a podlaha nad nevytápěným prostorem

0,215

Konstrukce přilehlé k terénu

0,720

Střecha strmá, vnější stěna

0,196

Dvorana, neotvíravá okna ALU, pevné části pláště ţlb.

1,8

Sloupková celoprosklená polostrukturální fasáda

1,8

Tab. 1 – Součinitele prostupu tepla

Bc. Ondřej Soudek

S t r a n a | 16


3

METODY SNÍŢENÍ TEPELNÝCH ZISKŮ

Metodami sníţení tepelných zisků se rozumí záměrné pouţití zařízení či úprava konstrukcí, které slouţí k zamezení přehřívání místností [4]. U stávajících objektů lze zvýšeným ziskům předejít vhodným zvolením clon a modernizací stávajícího elektrotechnického zařízení, při projektování nových staveb jim lze předejít navíc i volením vhodného architektonického návrhu objektu, začleněním do terénu, orientací budovy, stupněm prosklení, akumulací obvodového pláště a pouţitím vnitřních materiálů pouţitelných pro alternativní způsoby chlazení [5].

3.1

Archtektonický návrh objektu

Promítnutí znalostí ve fázi projektování budovy přináší řadu úspor. Příkladem mohou být budova vedení společnosti Pepsi a pátý terminál londýnského letiště Heathrow (obojí na obr. 4). V případě sídla společnosti Pepsi lze vidět důmyslné stínění samotnou konstrukcí budovy, u terminálu letiště Heathrow je záření v letních měsících omezeno záporným sklonem osluněné části.

Obr. 4 – Architektonické řešení terminálu letiště Heathrow (vlevo) a budovy vedení PepsiCo [6], [7].

Bc. Ondřej Soudek

S t r a n a | 17


3.2

Orientace ke světovým stranám

Zdrojem záření je Slunce, nejbliţší hvězda pro Zemi. Z celkového výkonu, které Slunce vyzáří, dopadá na Zemi jen nepatrná část – asi 1,8.1014 kW. Sluneční záření lze rozdělit na dvě části, na sluneční záření přímé a sluneční záření difůzní. Difůzní záření vzniká důsledkem rozptylu přímých slunečních paprsků na molekulách plynných sloţek vzduchu, na vodních kapičkách, ledových krystalkách a na nejrůznějších aerosolových částicích vyskytujících se v zemském ovzduší. K oslunění plochy také přispívá odraz přímého záření od okolního terénu. Základní veličinou při popisu slunečního záření je jeho intenzita I, kterou definujeme jako mnoţství zářivé energie, jeţ za jednotku času dopadá na jednotkovou plochu orientovanou kolmo ke slunečním paprskům. Na hranici zemské atmosféry dopadí na tuto plochu cca 1 360 W.m-2, coţ je tzv. sluneční konstanta I0. Celkové sluneční záření dopadající na osluněnou plochu lze vypočíst jako součet přímého a difůzního záření. (1) Průchodem atmosférou se intezita slunečního záření zmenšuje. Směr dopadu slunečních paprsků je dán vzájemnou polohou Slunce a osluněné plochy. Z důvodu zemské rotace kolem své osy se kaţdý den v roce poloha Země vůči Slunci mění. V kaţdém okamţiku je poloha Slunce dána výškou nad obzorem h a azimutem a. Azimut a je definován jako úhlová odchylka od severu. Sluneční deklinace δ představuje změnu polohy Slunce a Země vzhledem k natáčení zemské osy ke Slunci. Číselně také vyjadřuje zeměpisnou šířku, kde je v den ve 12 hodin v poledne Slunce kolmo nad obzorem. Ve dnech rovnodennosti má hodnotu 0°, ve dnech slunovratů ±23,5° (obr. 5).

Obr. 5 – Poloha Slunce v naší zemi v průběhu roku [8]

Bc. Ondřej Soudek

S t r a n a | 18


S ohledem na měnící se úhel dopadu paprsků se mění také intenzita slunečního záření. Správné zvolení orientace budovy a následné vnitřní uspořádání místností přispívá k účelnému vyuţití sluneční energie [9]. Průměrný denní chod teploty vykazuje harmonické kolísání. Nejniţší teploty v létě jsou dosahovány kolem 4. hodiny ranní, v zimě kolem 8. hodiny. Denní maxima teplot se vyskytují mezi 13. a 15. hodinou [9]. Úhel v závislosti na měsících v průběhu dne je znázorněn na obr. 6.

Obr. 6 – Úhel Slunce v závislosti na měsících [10] Dle literatury [5] vyplývá, ţe nejoptimálnějším řešením z hlediska minimálních tepelných zisků budovy je orientace její podélné osy ve směru východ – západ, hlavní zátěţ solární radiací je v tomto případě ze severu a z jihu, coţ je dohromady téměř vţdy méně neţ součet zátěţe z východu a ze západu při opačné orientaci. V našem pásmu výška Slunce nedosahuje zenitu, čili rovina dráhy Slunce není kolmá k horizontální rovině. Proto se dosahuje maximálního ozáření plochy na jiţní a jihozápadní straně. Průčelí orientovaná k jihovýchodu a jihozápadu jsou nejvíce osluněna v květnu a červnu, jiţní průčelí nejvíce od června do srpna. Méně vhodná je orientace větších ploch s průsvitnými částmi na západ či jihozápad, protoţe v letním období dochází k oslunění této části fasády po většinu části dne. V zimních měsících je Slunce nízko nad horizontem, proto se jeho paprsky dostávají okenními otvory hlouběji do místností. V letním je vysoko nad horizontem a jeho paprsky dopadají na fasádu budovy pod malým úhlem. V letních měsících je však nuné hledět na vyšší intenzitu slunečního záření [4].

Bc. Ondřej Soudek

S t r a n a | 19


3.3

Druh a velikost prosklení

Druh a velikost prosklení má podstatný vliv na tepelné zisky. Tyto veličiny lze přímo ovlivnit správným výběrem okna. Protichůdně proti sobě jde zvolený druh skel pro sníţení spotřeby tepla a skel pro sníţení tepelných zisků. Skla pro sníţení spotřeby tepla propouštějí do prostoru maximum krátkovlnné sluneční radiace, ale zamezují úniku dlouhovlnné radiace odvádějící teplo z místnosti. Selektivní skla pro léto naopak odráţejí maximum radiace jak ultrafialové, tak infračervené a zvýšenou propustnost mají pouze pro vlnové délky viditelného záření (světlo). Pouţití takovýchto selektivních skel pro obytné domy není zatím vzhledem k jejich ceně běţné, ale u administrativních budov uţ nachází své uplatnění. Důleţitými vlastnostmi zasklení jsou celková tepelná propustnost g (solární faktor), součinitel prostupu tepla U a stínící faktor b. Součinitel prostupu tepla U je základní měrná veličina pro stanovení tepelných ztrát. Tato veličina udává mnoţství tepla, které projde za časovou jednotku jednotkovou plochou při teplotním rozdílu vnitřní a vnější teploty 1 K. S klesající hodnotou U se zvyšuje tepelná izolace materiálu. Do výsledného součinitele přestupu tepla je nutné započítat i rám, výsledný součinitel je roven: (2) Celková tepelná prostupnost (solární faktor) g se skládá z přímého prostupu energie a ze sekundárního přenosu tepla pohlceného sklem do místnosti. Běţná hodnota tepelné prostupnosti g je g = 0,75, tepelně izolační mívá hodnotu okolo g = 0,62, coţ znamená, ţe 75 %, resp. 62 % dopadajícího záření se podílí na ohřevu místnosti [11]. Speciální druhy skla dnes dosahují hodnot aţ 0,25. Stínící faktor b je poměr tepelné sluneční energie procházející daným zasklením k tepelné sluneční energii jaká by prošla za stejných podmínek čirým, nestíněným, okenním sklem dvojnásobné síly. Stínící koeficient definuje schopnost zasklení regulovat průchod tepelné energie [12]. Jednotlivé charakteristiky prostupu záření jsou znázorněny na obr. 7. U světelného záření se poměrná část odrazí (RL) a poměrná část prochází zkrze prosklení do místnosti (LT). Tepelné záření se na okenní tabuli částečně odrazí (RE), částečně projde zkrz (DET - přímý prostup energie), a zbylá pohlcená část sluneční radiace (EA) se vyzařuje sekundárním přenosem do místnosti (solar reradiated in) a ven (solar reradiated out).

Bc. Ondřej Soudek

S t r a n a | 20


Světelná charakteristika

Energetická charakteristika

Obr. 7 – Světelná a energetická charakteristika prostupu záření oknem

Tepelnou zátěţ z vnějšího prostředí tvoří tepelné toky sdílené průsvitnými a neprůsvitnými konstrukcemi budovy. Výchozí pro řešení zátěţe je mechanismus sdílení tepla, který se skládá z tepelných zisků okny konvekcí Qok a radiací Qor, stěn Qs a infiltrací venkovního vzduchu Qi. Zásadními vstupními hodnotamy jsou teplota venkovního vzduchu a intenzita sluneční radiace. Prostup tepla konvekcí Qok je dán formulí pro prostup tepla. Závisí na ploše okna So (včetně rámu), součinitelem prostupu tepla okna ko, teplotou venkovního vzduchu te a teplotou vnitřního vzduchu ti. .

(3)

Prostup tepla radiací Qor je dynamického charakteru a závisí na úhlu dopadu slunečních paprsků a vlastnostech skla [9],[13] [

Bc. Ondřej Soudek

]

(4)

S t r a n a | 21


Stínící technika

3.4

Stínící technika je neodmyslitelnou součástí architektonického řešení administrativních budov s velkým podílem prosklených ploch. Zatímco v zimních měsících je ohřev interiéru slunečním zářením příhodný, v měsících letních vyvstává problém, kterým je třeba se zaobývat. Jednoduchým řešením oproti energeticky náročnému odvodu tepla klimatizačním zařízením je eliminace těchto tepelných zisků jiţ v zárodku, nejčastěni pomocí externích stínících prvků. Stínící prvky se dělí dle umístění na vnější a vnitřní [4], [14]. 3.4.1

Vnější stínění

S rostoucím mnoţstvím administrativních budov s vysokým podílem prosklených ploch se setkává vnější stínění se stále větší oblibou, také i díky plnění role ochranné, ať uţ proti vloupání, mrazu či dešti. S ohledem na rozšířenost tohoto druhu se na trhu nachází nepřeberné mnoţství typů vnějšího stínění. Je všal třeba na něj myslet jiţ při navrhování budovy. Technické provedení vnějšího stínění je náročné a je třeba jej zakomponovat z estetického hlediska vhodně do obálky budovy. 3.4.1.1 Slunolamy Slunolamy jsou výrazné stínící prvky fasády a umísťují se horizontálně nebo vertikálně (případně v kombinaci obou). Slunolamy mohou být pevné (s nastaveným sklonem) nebo i pohyblivé. Vertikální slunolamy se skládají ze svislých nosníků, které jsou kotveny do konstrukce a na tyto nosníky jsou připevněny horizontální lamely. Lamely jsou vyráběny nejčastěji z hliníku (případně z jeho slitin) a povrchově upraveny pro odpuzování nečistot. Taktéţ se setkáváme s lamelami ze skla. Pohyblivé lamely jsou ovládány ručně (pomocí táhel) nebo motoricky (dálkově či automaticky ovládané).

Obr. 8 - Horizontální slunolam

Bc. Ondřej Soudek

S t r a n a | 22


3.4.1.2 Vnější ţaluzie Vnější ţaluzie platí za nejúčinnější prvek ochrany před tepelným a světelným zářením a jsou nejpouţívanějším systémem stínění. Umísťují se nejčastěji před okna a dveře, čili mezi zdroj záření a osálaný povrch. Míra nastavení propustnosti je značně rozsáhlá. Vnější ţaluzie také plní úlohu bezpečnostní a tepelně-izolační. Ovládání vnějších ţaluzií je v provedení ručním či mechanickým (nejčastěji pomocí elektromotoru s moţností plnoautomatického provozu na bázi časové, větrné, slunečné a tepelné). Ţaluzie jsou vedeny ve vodících lištách či v ocelových lankách. Velkou výhodou je pak moţnost individuálního nastavení sklonu lamel. Ţaluzie jsou vyráběny z hliníku (příp. z jeho slitin) a nebo ze dřeva. Je zapotřebí brát v potaz větší nábal lamel a s tím spojenou konstrukční hloubku.

Obr. 9 – Exteriérové ţaluzie 3.4.1.3 Rolety Rolety krom sníţení světelného záření a tepelných ztrát/zisků také značně sniţují hlučnost. Chrání budovu před škodami vzniklými extrémními povětrnostními podmínkami a taktéţ působí jako zabezpečovací prvky. U administrativních budov však nejsou aţ tak rozšířené a vyuţití nachází zejména u rodinných domů. 3.4.1.4 Okenicové systémy Okenicové systémy jsou známé po mnoho let a taktéţ prošly značným vývojem. Jsou často pouţívaným prvkem zastínění. Okenice se vyrábí v provedení otevíracím nebo posuvným. V moderní architektuře zaţívají okenicové systémy značný nárůst. Lameláţ můţe být pevná nebo naklápěcí. 3.4.1.5 Markýzy Markýzy patří k nejstarším stínícím prvkům a jejich historie sahá do období starého Egypta. Většinou se jedná o textilní clonu proti slunci. Provedení markýz můţe být výsuvné, korbové, fasádní, výklopné, příp. jejich kombinací.

Bc. Ondřej Soudek

S t r a n a | 23


3.4.1.6 Moderní stínící prvky Neustálý výzkum stínících prvků s propojením přeměn slunečního záření na elektrickou energii vede k vývoji a distribuci moderních stínících prvků. Oba tyto systémy spojuje společná snaha natočení se kolmo ke slunečním paprskům. Tak je zaručeno značné odstínění záření od vnitřního prostoru a zároveň i maximální vyuţití dopadajících paprsků na fotovoltaické články. Systém natáčení je ovládán buďto elektromotoricky, kdy program ovládá elektromotory na základě známé dráhy Slunce po obloze, nebo termohydraulicky pomocí trubic připevněných na obou stranách lamel. Při odchýlení lamel od kolmice ke slunci je jedna trubice ohřívána více jak druhá a díky rozdílům teplot v hydraulickém válci dochází ke korekci natočení lamel.

3.4.2

Vnitřní stínění

Vnitřní stínění není příliš efektivní, zato je cenově přístupnější a snáze se ovládá. Díky široké škále materiálů a vzorů je vnitřní stínění mnohdy bráno jako designový doplněk. Materiálem bývá dřevo, kov a stále častěji i textilie, které jsou polopropustné a tudíţ nedochází k celkovému zatmění místnosti. Ani samotná instalace nevyţaduje sloţité stavební úpravy. Vnitřní stínění plní převáţně charakter obrany proti oslnění slunečními paprsky a uvedeno zde bylo pro úplnost. Při prostupu tepelného záření oknem se záření transformuje na záření převáţně dlouhovlnné, které jiţ není schopno projít sklem do venkovního prostoru [3], [4].

Obr. 10 – Vnitřní stínění

Bc. Ondřej Soudek

S t r a n a | 24


3.5

Alternativní způsoby chlazení

I přes pouţití pasivních prvků stínění je stále třeba chladit vnitřní prostory, alternativním způsobem chlazení oproti kompresorovému jsou tři základní zdroje chladu: -

Kolísání teplot vzduchu v kombinaci s akumulační hmotou budovy (noční větrání) Vyuţívání přeměny citelného tepla na latentní (adiabatické chlazení) Vyuţívání chladu ze zemského polomasivu (zemní výměníky)

Noční větrání (chlazení) je nejpouţívanější alternativní metodou chlazení objektů. Stavební konstrukce se předchladí nočním vzduchem, který i v letních měsících často dosahuje teplot pod 15 °C – obr. 11. Podmínkami pro funkčnost nočního chlazení jsou dobrá provětratelnost objektu (spojená s konstrukčním uspořádáním oken) a dobrá akumulační schopnost stavebních konstrukcí. Nevhodné je vnitřní řešení stavebních příček ze sádrokartonu, s koberci a podhledy.

Obr. 11 – Průběh teplot v měsíci červenec Adiabatické chlazení vyuţívá přeměny citelného tepla na teplo latentní při vypařování vody, tím se sniţuje teplota vzduchu. Tento typ chlazení se hodí především pro suché a teplé klima tam, kde je poţadována vysoká vlhkost vzduchu. Omezené je pouţití pro oblast s vlhkým klimatem [15]. Zemní výměníky vyuţívají chlad zemského polomasivu pomocí vodního nebo vzduchového systému. Chladná spodní voda je v letních měsících vyuţívána pro podlahové chlazení. Vysokých výkonů lze v letních měsících vyuţít jen krátkodobě – aţ 45 W.m-2 [10].

Bc. Ondřej Soudek

S t r a n a | 25


3.6

Tepelné zisky od vnitřních zdrojů

Tepelné zisky od vnitřních zdrojů jsou dány součtem jednotlivých vnitřních zdrojů tepla, mezi které se řadí produkce tepla lidí, svítidel, elektromotorů, elektromotorických zařízení, ventilátorů aj. [9], [16]. Produkce tepla lidí Ql závisí na činnosti člověka a na teplotě vzduchu. Do vnitřních zisků se započte citelné teplo. Za výchozí stav pro odvození se povaţuje produkce citelného tepla muţe při mírně aktivní práci při teplotě vzduchu 20 °C, produkce citelného tepla v tomto stavu činí 62 W. Pro jinou teplotu a počet osob se hodnota koriguje stavem (5) (6) Produkce tepla svítidel QSV se počítá pro prostory bez oken a místnosti s poţadavky na vyšší intenzitu osvětlení. U hlubokých místností se uvaţuje umělé osvětlení ve vzdálenosti větší neţ 5 m od okna. Předpokládá se, ţe se u svítidel celý jejich příkon změní v teplo. Výchozí pro výpočet je intenzita osvětlení, ze které se odvodí celkový příkon svítidel P. Tepelná zátěţ svítidel závisí také na součiniteli současnosti pouţívání svítidel c1 a na případném zbytkovém součiniteli c2 v případě pouţitých odsávaných svítidel. (7) Produkce tepla elektronických zařízení Qe (počítačů, tiskáren aj.) se určí z výrazu ∑

(8)

za pouţití součinitelů současnosti chodu elektromotorů c1 a průměrného zatíţení stroje c3.

Bc. Ondřej Soudek

S t r a n a | 26


4

POPIS SIMULOVANÝCH MÍSTNOSTÍ

Pro zjištění vlivu orientace kanceláří, resp. orientace jejich vysoce prosklených stěn, je nutné zvolit místnosti (zóny), které mají své čelní stěny orientované na odlišné světové strany. Při modelování reálného prostoru, 5NP budovy Alpha, je však nutné provést úpravy pro názorné zobrazení. Stávající stav se během příprav diplmomové práce ukázal jako nevhodný pro modelaci v programu TRNSYS 16.1. S ohledem na dnes moderní členění, tzv. „open space“, by se celkový prostor kanceláří po obvodu budovy ohříval na stejnou celkovou teplotu. Modelovat stávající prostor by bylo moţné v programech CFD, avšak celková velikost 5NP spolu se zadáním neumoţňují toto řešení z hlediska HW náročnosti vyuţít. Zásadním krokem pro modelaci proto je za stávajícího zachování všech rozměrů a členění kanceláří na rozsáhlé kóje zvětšení velikosti všech příček (ve skutečnosti 120 cm vysokých) aţ po strop a tím pádem uzavřít prostor na jednotlivé místnosti - zóny. Toto opatření nám pomůţe sledovat vliv orientace vysoce prosklené stěny. Pro zvolené reprezentativní místnosti pak provádíme simulace vnitřních teplot s ohledem na solární zisky. Dalším zjednodušením je sjednocení malých místností převáţně sociálního zázemí do jedné zóny, která není nikterak osluňována a neovlivňuje příliš celkový stav (4.002 – 4.023, 4.025 – 4.027, 4.035). Středové atrium je modelováno jako místnost o konstatní teplotě s ohledem na reálný stav budovy. Střešní zasklení atria procházejícího všemi poschodími je ofukováno cirkulačním vzduchem s chlazením a ohříváním. Atrium tak slouţí zejména pro distribuci přirozeného světla do zasedacích místností uvnitř budovy. Jednotlivé členění zón a zvolené reprezentativní místnosti jsou znázorněny na obr. 12. Pro porovnání vlivu orientace budovy na tepelné zisky je zvoleno šest reprezentativních míst v 5. NP budovy Alpha: -

Zóna 1 – místnost reprezentující prostor s čelní stěnou orientovanou na S a Z Zóna 2 – místnost reprezentující prostor s čelní stěnou orientovanou na S Zóna 4 – místnost reprezentující prostor s čelní stěnou orientovanou na S a V Zóna 5 – místnost reprezentující prostor s čelní stěnou orientovanou na V Zóna 7 – místnost reprezentující prostor s čelní stěnou orientovanou na V a JZ Zóna 9 – místnost reprezentující prostor s čelní stěnou orientovanou na JZ

Bc. Ondřej Soudek

S t r a n a | 27


Obr. 12 – Členění prostoru 5NP do jednotlivých zón

Bc. Ondřej Soudek

S t r a n a | 28


5

PROGRAM TRNSYS 16.1

Program TRNSYS 16.1 (TRaNsientSYstem Simulation) je vhodný pro detailní analýzu systému, jehoţ chování je závislé na postupu času. TRNSYS je v dnešní době hojně vyuţívaným softwarem pro výzkumníky a inţenýry celého světa. Jedná se o simulační software, v němţ uţivatel definuje součásti, které tvoří systém, a způsob, jakým jsou součásti spojeny. Pomocí knihovny TRNSYS pak nastavuje ostatní prvky, které vstupují do modelu (například vhodné stínění, počty lidí v místnostech, druh osvětlení apod). Základním předpokladem pro detailní zvládnutí problematiky je správné nadefinování modelu budovy, o coţ se stará podprogram TNBuild. V modelu se pak zadávají vlastnosti stěn, jejich světová orientace aj. Zadání vlastností budovy je moţné přímo v TNBuild pomocí funkcí, či pro detailnější analýzu právě pomocí vyuţití vstupů, které jsou dále definovány v programu TRNSYS. Výstupem simulace bývají časové kroky simulací či jejich dlouhodobý součet. Pomocí exportu do formátu .xls je moţno hodnoty dále zpracovávat ve vhodných tabulkových programech. S ohledem na umístění budovy jsou pouţita meteorologická data pro Prahu.

Obr. 13 – Grafické rozhraní TRNSYS 16.1

Bc. Ondřej Soudek

S t r a n a | 29


6

MODELACE 6.1

Objekt

Pro modelaci je pouţito 5. NP budovy Alpha na základě technické dokumentace výkresu – viz příloha. Součinitele prostupu tepla jsou uvedeny v tab. 1 kapitoly 2.4. Podlahová plocha pátého nadzemního poschodí činí 1928 m3 s rozloţením a zjednodušeními uvedenými v kap. 44 .

Obr. 14 – TRNBuilt Manager, rozspis zón

Bc. Ondřej Soudek

S t r a n a | 30


6.2

Nastavení vstupů

Pomocí nastavení vstupů definujeme pohyb lidí v místnostech, větrání, chlazení, vytápění, vnitřní zisky od přístrojů a infiltraci. Vstupy jsou zadány pomocí funkcí, které jsou naprogramovány v TRNSYSu, výpočet se tak blíţí reálné situaci provozu. Pro všechny vstupy je nastaven provoz denní, víkendový a sváteční. Přehled dní a svátků je uveden v tab. 2.

Tab. 2 – Přepočet měsíců na dny a hodiny, přehled svátků 6.2.1

Vnitřní zisky

V technické dokumentaci není uvedeno vnitřní vybavení kanceláří, dle reálného provozu definujeme vnitřní zisky následovně: Lidé

kanceláře – 7 m2/os zasedací místnosti 2 m2/os druh práce: lehká kancelářská, psaní pracovní doba: všední dny od 8 00 do 18 00

Zařízení

na kaţdou pracující osobu připadá jeden notebook a externí LCD monitor o celkovém výkonu 50 W Na patře se nachází tři tiskárny, uvaţovaný výkon s ohledem na jejich reálné vyuţívání 500 W [17]

Osvětlení

Osvětlení dle technických poţadavků 10 W.m-2 Spínání osvětlení v pracovní dny od 8 00 do 20 00

Bc. Ondřej Soudek

S t r a n a | 31


6.2.2

Větrání

Větrání nastaveno dle poţadavků technické zprávy na výměnu 50 m .h-1.os-1 v závislosti na počtu lidí v místnostech, v provozu od 7 00 do 20 00 v pracovních dnech. 3

6.2.3

Chlazení

Chlazeno fan-coily v parapetním provedení v kaţdé místnosti. V pracovní dny v době od 7 00 do 20 00 udrţují stálou teplotu 25 °C, v ostatních hodinách a dnech udrţují teplotu 28 °C. Průběh chlazení v pracovních dnech uveden na obr. 15.

Obr. 15 – Průběh chlazení 6.2.4

Vytápění

Vytápěno ve všední dny od 8 00 do 20 00 na 22 °C, ranní všední dny od 6 00 do 8 00 vytápěno na 20 °C, v ostatních hodinách a dnech vytápěno na 18 °C – viz obr. 16.

Obr. 16 – Průběh vytápění

Bc. Ondřej Soudek

S t r a n a | 32


6.2.5

Infiltrace

V modelu nastavena infiltrace na konstatní hodnotu Vinf = 0,05 * Vmístnosti [m3.h-1]

6.3

(9)

Stínění

S ohledem na umístění budovy a vysoké procento prosklení fasády porovnáváme různé druhy stínění ovlivňující tepelné zisky. Stávající stav uvaţuje venkovní zastínění pouze na JZ a V straně, stínění však není automatické a tepelné zisky tak ve značné míře závisí na lidském faktoru. 6.3.1

Stávající stav – stínění venkovními ţaluziemi

Stávající stav je znázorněn na obr. 17. V reálném provozu jsou ţaluzie ovládány manuálně dle tepelné a světelné pohody zaměstnance, většinou jsou však vytaţené a energetická nářočnost roste s chlazením nastaveným na vyšší výkon. V modelu TRNSYS je pouţito automatické stínění v závislosti na venkovní teplotě a intenzitě dopadajícího záření. S ohledem na příznivé účinky solárních zisků v zimě je stínění v provozu, přesáhne-li venkovní teplota hodnotu 10 °C. V závislosti na intenzitě dopadajícího záření stíní lineárně, do hodnoty 200 W.m-2 jsou ţaluzie vytaţeny (nestíní), poté stíní lineárně aţ do hodnoty 1 200 W.m-2, kdy jsou ţaluzie zcela zataţeny.

Obr. 17 – Stávající stav stínění budovy APLHA

Bc. Ondřej Soudek

S t r a n a | 33


6.3.2

Stínění předokenními roletami

Stínění na podobné bázi jako stínění ţaluziemi. Stínění předokenními roletami neumoţňuje plynule regulovat dopadající záření. Regulovat lze jen částečným zataţením rolet. V modelu uvaţováno se zcela zataţenými roletami. 6.3.3

Stínění horizontálními slunolamy

Uvaţován horní slunolam průběţný po celé délce oken, umístěn 10 cm nad horní hranou okna. Hloubka slunolamu činí 500 mm (vizualizace na obr. 18).

Obr. 18 – Vizualizace horních slunolamů 6.3.4

Stínění venkovními ţaluziemi a horizontálními slunolamy

Kombinace stavu 6.3.2 a 6.3.3.

Bc. Ondřej Soudek

S t r a n a | 34


6.4

Orientace oken

Zaoblení JZ stěny je řešeno rozdělením oblouku do pěti segmentů odpovídajícím pěti zónám orientovaným na J-JZ stěně (Azimuth of surface-1 – 5 na obr. 19) . Zbylé dvě plochy (6 a 7) odpovídají severní (180 °) a východní (270 °) straně.

Obr. 19 – Orientace stěn

Bc. Ondřej Soudek

S t r a n a | 35


VYHODNOCENÍ VÝSLEDKŮ

7

Porovnání teplot uvnitř jednotlivých zón bez vnitřních zisků, vytápění, chlazení a větrání nám umoţní posoudit vliv orientace prosklené plochy vůči slunci. Vyhodnocení stínících prvků na celkovou tepelnou zátěţ lze v programu TRNSYS provést několika způsoby. Pro zkoumání reálné budovy je vhodné pouţít funkci QSENS, která počítá citelné teplo, jeţ je třeba odvést z daného prostoru – tento parametr je výchozím pro návrh chlazení. Funcke SQSOLT (suma solárního záření procházejícího okny) nám představuje celkové solární zisky, které jsou zejména v zimních měsících přínosné pro sníţení potřeby energie pro vytápění.

7.1

Průběh teplot v různě orientovaných místnostech

Průběh teplot v jednotlivých zónách nastíní vliv orientace osluněné plochy na tepelné zisky. S ohledem na nerovnoměrnost místností a přestupu tepla sousedícími příčkami však nelze brát tento výpočet jako plnohodnotný a proto se jím bude diplomová práce zabývat samostatně v kapitole 8 na fiktivní místnosti o stejných vlastnostech a rozměrech. Graf 1 znázorňuje rozloţení teplot v jednotlivých zónách v měsících červenec a srpen. Modře značena je teplota okolí. 40 35 30

T_Ambient °C

25

1_zona °C

°C

2_zona °C 20

4_zona °C 5_zona °C

15

7_zona °C

10

9_zona °C

5 0 4344

4840

hodiny

5336

5832

Graf 1 – Rozloţení teplot v zónách v měsících VII a VIII

Bc. Ondřej Soudek

S t r a n a | 36


Z grafu 1 je vidno, ţe zatím co se severní prosklená plocha ohřívá méně (zelená křivka), ostatní zóny se v průběhu dne díky slunečnímu záření ohřívají na teploty vyšší (v průměru aţ o 3,9 °C, maximální hodnota o 8,0 °C) – tab. 3. Temperature [°C] T_Amb 1_zona 2_zona 4_zona 5_zona 7_zona 9_zona Maximální 30,56 34,42 31,03 34,92 37,99 38,07 39,07 Průměrná 16,90 30,98 29,15 30,99 32,63 33,10 32,33

Tab. 3 – Maximální a průměrné teploty měsíců VII a VIII Nejvyšších teplot dosahují zóny 7 a 9. S ohledem na trajektorii Slunce se maximálních teplot v místnostech dosáhne v odlišných hodinách. Pro východní stěnu (zóna 5) dochází k maximu teplot v dopoledních hodinách mezi 9 – 12 hod, JZ osluněné místnosti jsou nejvíce ohřáté mezi 13 – 17 hodinou a západní mezi 15 – 18 hodinou. Tento fakt znázorňuje průběh teplot ve dvou typických letních dnech 23. a 24. července v grafu 2 a vyznačuje se prodlevou nárustu teploty u zón 1, 9 a 7 v porovnání s ostatními křivkami.

40

35 30

T_ambient 1_zona

°C

25

2_zona

20

4_zona 5_zona

15

7_zona

10

9_zona

5 0 4890

4900

4910

4920

4930

4940

4950

hodiny Graf 2 – Průběh teplot ve dnech 23. a 24. července

Bc. Ondřej Soudek

S t r a n a | 37


Tepelná zátěţ dle druhů stínění

7.2

Vyhodnocení pomocí funkce QSENS znázorňuje, kolik energie je moţno ušetřit při kterém druhu zvolení stínění. Stávající stav stínění na budově ALPHA se dá připrovnat ke stavu bez stínění, ţaluzie jsou téměř vţdy vytaţené. Při správném pouţívání a stínění by se docílilo úspory aţ 9 915 kWh. Větší úspory by vznikly při pouţití předokeních rolet – 19 132 kWh, horizontálními slunolamy 25 776 kWh a kombinací ţaluzií se slunolamy aţ 30 377 kWh, coţ je 18% úspora.

tepelná zátěž [kWh]

Bez stínění Stínění HS

Stínění žaluziemi Stínění HS + Ž

Stínění předokenní

200000 180000 160000 140000 120000 100000 80000 60000 40000 20000 0 0

1000

2000

3000

4000

5000

Hodiny [h]

6000

7000

8000

Graf 3 – Roční tepelná zátěţ

200000 180000

172661,09

tepelná zátěž [kWh]

160000

162745,89

153528,97

146884,49 142283,45

140000

Bez stínění

120000

Stínění žaluziemi

100000

Stínění předokenní

80000

Stínění HS

60000

Stínění HS + Ž

40000 20000 0

Graf 4 - hodnoty roční tepelné zátěţe

Bc. Ondřej Soudek

S t r a n a | 38


7.3

Porovnání vlivu exteriérových a interiérových ţaluzií

Bez pouţití stínění je zapotřebí odvádět chlazením 172 661 kWh, při pouţití stejného stínění ţaluziemi se projevuje vliv jejich umístění. Při instalaci ţaluzií do interiéru se ušetří 1770 kWh (1,03 %), zatímco při umístění ţaluzií vně okna se ušetří téměř 6x více - 9915 kWh (5,74 %). 174000

172661,09

Tepelná zátěž [kWh]

172000

170892,39

170000 168000 Bez stínění

166000 164000

162745,89

Vnitřní žaluzie Vnější žaluzie

162000 160000 158000 156000 Bez stínění

Vnitřní žaluzie Vnější žaluzie

Graf 5 - Vliv umístění ţaluzií na celkovou tepelnou zátěţ

7.4

Shrnutí druhů stínění na budově ALPHA

Graf 4 názorně ukazuje porovnání druhů stínění. Stávající způsob stínění přináší úsporu 9 915 kWh, ale jen pouze při správném způsobu regulace. Ten se však ve skutečném provozu nepraktikuje. Možností je plně automatizovaný provoz regulace žaluzií či neustálé stínění, čímž by se dosáhlo úspor blízkých použití předokenních rolet – a to 19 132 kWh. Velmi účelné se jeví stínění horním slunolamem, které však vyžaduje značný zásah do architektonicky čistého pláště společně s nemalými investičními náklady (dle dodavatele a zvolené konstrukce). Graf 5 potvrzuje nevhodnost vnitřních žaluzií pro eliminaci solárních zisků v porovnání s žaluziemi venkovními (popsáno v 3.4.2).

Bc. Ondřej Soudek

S t r a n a | 39


8

ZOBECNĚNÍ VLIVŮ NA FIKTIVNÍ MÍSTNOSTI

Kapitola 7 ukázala, jaké druhy stínění je vhodné pouţít na stávající zástavbu. Pro detailnější výzkum ostatních metod pro sníţení tepelné zátěţe nelze pouţít budovu o místnostech s odlišnou velikostí, nesouměrným zdrojem vnitřních zisků, odlišným druhem prosklení a stíněním. Pro zobecnění zásad při návhru nových kancelářských prostor je proto zkoumána fiktivní kancelářská místnost o stálých rozměrech a vlastnostech zasklení a stínění. Zvolena byla místnost o vnitřních rozměrech 5 x 5 x 3 m (obr. 20), z nichţ dle zadání osluněné strany bude celá čelní stěna prosklená (v případě JV a JZ orientace obě stěny prosklené). Na kaţdém modelu bude provedeno stínění postupně s exteriérovými ţaluziemi, horním slunolamem průběţným o dvou velikostech (HS 500, HS 1000 o jmenovitých hloubkách 0,5 a 1 m) a kombinací horního slunolamu HS500 s externími ţaluziemi. Taktéţ bude zkoumán vliv velikosti a druhu prosklení na celkové zisky.

Obr. 20 – Rozměry fiktivní kancelářské místnosti Legenda: -

J – kancelář s jednou celoprosklenou plochou orientovanou na jih V – kancelář s jednou celoprosklenou plochou orientovanou na východ Z – kancelář s jednou celoprosklenou plochou orientovanou na východ JV – kancelář se dvěma celoprosklenými plochami orientovaný na východ a na jih JZ – kancelář se dvěma celoprosklenými plochami orientovaný na západ a na jih

Bc. Ondřej Soudek

S t r a n a | 40


Vliv stínících prvků

8.1

Do celkové energetické bilance se významně promítnou vlivy stínících prvků. Simulovány zde jsou nejpouţívanější typy stínících prvků výrazně ovlivňující energetickou bilanci objektu – vnější ţaluzie, slunolamy a jejich kombinace. Výstupem je celkové mnoţstí solárního záření, které pronikne do místnosti.

Roční solární zisky okny

5000 4000 3000 2000 1000

3514,57 6276,31 6300,45 2761,74 2785,88 3127,91 5980,09 5943,69 2525,82 2429,46 2929,41 5126,36 5126,81 2196,95 2197,40 2549,46 4463,01 4460,83 1913,55 1911,37 2620,13 4688,01 4631,80 2067,88 2011,67

Solární zisky okny [kWh]

6000

0 J JV JZ V Z J JV JZ V Z J JV JZ V Z J JV JZ V Z J JV JZ V Z bez stínění

žaluzie

HS500

HS1000

HS500 + žaluzie

Graf 6 - Roční solární zisky okny dle druhu stínění a orientace V grafu 6 lze vyčíst, jakým způsobem stíníní prvky ovlivní solární zisky okny. Nejvhodnější metodou stínění se jeví horizontální slunolam o hloubce 1000 mm. Případným zmenšením slunolamu na polovinu a v kombinaci s exteriérovými ţaluziemi se dosáhne takřka stejných úspor.

Bc. Ondřej Soudek

S t r a n a | 41


Měsíční solární zisky nám napoví, ve kerých měsících se jednotlivé stěny nejvíce ohřívají. V grafu 6 se projevuje vliv deklinace, kdy je v zimních a přechodových měsících největší zisk z oslunění na jiţní straně, kdeţto v období květen – červenec jsou zisky z jiţní strany menší neţli z východní a západní. Graf 7 dokládá, ţe mezi stíněním JV a JZ není z hlediska solárních zisků markantní rozdíl.


Měsíční solární zisky okny bez stínění 450 400 350 300 250 200 150 100 50 0

východ jih západ

900 800 700 600 500 400 300 200 100 0

Měsíční solární zisky okny bez stínění

JV JZ 226,30 221,89 372,99 364,96 559,89 544,37 684,51 691,67 728,29 777,55 682,20 675,57 713,97 696,27 767,71 782,60 605,85 598,77 513,48 526,32 270,36 268,63 150,76 151,85


Graf 7 - Měsíční solární zisky okny bez stínění - V, J, Z

Graf 8 - Měsíční solární zisky okny bez stínění - JV, JZ Grafy 9 – 18 v příloze porovnávají vliv stínění na vnitřní teplotu kanceláře při různých orientacích ke světovým stranám v období květen – srpen a pro

Bc. Ondřej Soudek

S t r a n a | 42


období dvou typických pracovních dní – 23. a 24. července. Pomocí grafů 8 – 17 lze sledovat značný rozptyl teplot v závislosti na zvoleném druhu stínění a na orientaci osluněné plochy. Pomocí stínící techniky lze udrţet vnitřní teplotu aţ o 10 °C niţší, neţ při plném prostupu záření.

Vliv druhu prosklení

8.2

Kapitola 3.3 popisuje vlastnosti prosklení, směrodatnou vlastností pro celkové solární zisky je solární faktor g, který informuje o velikosti podílu záření na ohřevu místnosti. Pro simulaci byla pouţita zasklení uvedena v tabulce

hodnoty okno_1 okno_2 okno_3

Druh prosklení U [W.m .K ] g [-] typ skla 2,8 0,755 Dvojsklo, plněné vzduchem 1,3 0,591 Dvojsklo, plněné argonem 0,4 0,408 Trojsklo, plněné xenonem -2

-1

Tab 4 – technické parametry zvolených oken 9000 7000 6000

3000

okno_3

2000 1000

8151,48 6300,45 5154,32

okno_2

8112,63 6276,31 5138,20

4000

4636,90 2785,88 1639,75

okno_1

4598,06 2761,74 1623,64

5000

5868,73 3514,57 2045,44

Solární zisky [kWh]

8000

J

V

Z

JV

JZ

0

Graf 19 – vliv druhu prosklení S kvalitnější volbou zasklení a s klesajícím solárním faktorem g značně klesají solární zisky okny.

Bc. Ondřej Soudek

S t r a n a | 43


8.3

Vliv velikosti prosklení

Velikost prosklení dle normy ČSN 73 0580 by neměla být menší jak 10 – 15 % podlahové plochy. Při zkoumámí vlivu velikosti prosklení na celkových solárních ziscích jsou voleny čtyři variany, po 20% krocích ze současného 100% na 40% podíl zasklení. Prostor nahrazující původní okna je vyplněn ţelezobetonovým skeletem s izolací s hodnotou součinitele přestupu tepla U = 0,232 W.m-2.K-1.

procent zasklení 100% 80% 60% 40%

plocha zasklení k ploše podlahy 60,00% 48,00% 36,00% 24,00%

plocha oken [m2] 15 12 9 6

Tab 5 – Velikost prosklení 7000

5000 100%

4000

80%

3000

60%

2000

40%

1000

3514,57 2830,53 2122,90 1415,26 2785,88 2243,66 1682,74 1121,83 2761,74 2224,22 1668,16 1112,11 6300,45 5074,19 3805,64 2537,09 6276,31 5054,75 3791,06 2527,37

Solární zisky [kWh]

6000

0 J

Z

V

JZ

JV

Graf 20 – vliv velikosti prosklení S klesajícím procentem zasklení výrazně klesají solární zisky (stejně tak i tepelné ztráty v zimě).

Bc. Ondřej Soudek

S t r a n a | 44


8.4

Vyhodnocení vlivů pro sníţení solárních zisků

plocha zasklení

zasklení

stínění

V kapitolách 8.1 – 8.3 byly provedeny simulace různých situování kanceláří vč. vyhodnocení druhů stínících prvků a vlastností oken. Zaznamenány jsou v tab. XX.

V standardní 2761,74 ţaluzie 2525,85 HS500 2196,95 HS1000 1913,55 kombi 2067,88 okno1 4598,06 okno2 2761,74 okno3 1623,64 100% 2761,74 80% 2224,22 60% 1668,16 40% 1112,11

Sluneční zisky [kWh] J Z JV 3514,57 2785,88 6276,31 3127,91 2429,46 5980,09 2929,41 2197,4 5126,36 2549,46 1311,37 4463,01 2620,13 2011,67 4688,01 5868,73 4636,9 8112,63 3514,57 2785,88 6276,31 2045,44 1639,75 5138,2 3514,57 2785,88 6276,31 2830,53 2243,66 5054,75 2122,9 1682,74 3791,06 1415,26 1121,83 2527,37

JZ 6300,45 5943,69 5126,81 4460,83 4631,8 8151,48 6300,45 5154,32 6300,45 5074,19 3805,64 2537,09

Tab 6 – Přehled vlivů stínění S přihlédnutím na řešení problematiky solárních zisků vysoce prosklených administrativních budov je účelné tyto budovy navrhovat s: -

kvalitním zasklením spolu s nízkým solárním faktorem g, přičemţ je nutné dbát na správný výběr s ohledem na součinitel přestupu tepla U. optimálně zvoleným procentuelním prosklením fasádní stěny při stále komfortním přirozeným osvětlení. menším mnoţstvím prosluněných ploch orientovaných na jih a jihozápad. důmyslným systémem protisluneční ochrany pro efektiní regulování solárních zisků, zejména v letním období. Naopak pro zimní období je vhodné, aby systém umoţňoval jejich průchod v zimních měsících, který je příznivý pro sníţení tepelných ztrát.

-

Bc. Ondřej Soudek

S t r a n a | 45


9

ZÁVĚR

Cílem práce bylo zhodnocení parametrů vnitřního prostředí pro různě orientovaný typický kancelářský prostor (čelní stěna orientovaná na východ, jih, západ, rohová místnost na jihovýchod a jihozápad) a dopadu na energetickou náročnost budovy. S ohledem na vysoké zisky bylo provedeno i posouzení moţností uplatnění různých typů protisluneční ochrany (slunolamy, ţaluzie). Pomocí teoretických znalostí metod sníţení tepelných zisků (shrnuto v kapitole 3) byla navrhnuta opatření pro jejich sníţení. V dnešní době hojně pouţívané stínění exteriérovými ţaluziemi se jeví jako vhodná metoda díky dostupnosti této techniky a moţnosti její regulace. Neznalost okupantů kancelářských prostor v oblasti techniky prostředí však do jisté míry hatí jejich přednosti, kdy uţivatel ţaluzie nastavuje dle svého aktuálního subjektivního pocitu tepla – a to aţ v době, kdy sluneční záření proniklo do prostor uvnitř kanceláře. Důmyslnější systém regulace ţaluzií můţe do značné míry pomoci s úsporami v chlazení. Zde se skýtá moţnost návrhu sofistikovaného systému pro regulaci exteriérových ţaluzií v průběhu celého roku. Veškeré simulace byly provedeny v programu TRNSYS 16.1. Předmětem zkoumání byla reálná administrativní budovu ALPHA, v níţ sídlí společnost Microsoft. Při modelování se vycházelo z technické zprávy objektu a z výkresů .dwg. Simulace potvrdila, ţe při navrhování budovy se krom vzhledu dbalo i na účelné zvolení druhu fasády vč. jejího zastínění (severní fasáda celoprosklená, východní a JZ konvexní s menším procentem prosklení – 33% venkovní plochy). S ohledem na důkladnější průzkum vlivu orientace byl modelován také fiktivní model kanceláře o konstatní velikosti a prosklení, který byl vystavován třem světovým stranám vč. jejich kombinací. Na takto vytvořené modely se aplikovaly různé druhy stínění. Dle předpokladu se ukázala jiţní strana nejvíce tepelně zatěţovanou, coţ přináší své výhody i nevýhody. Simulace vlivu stínících metod striktně naznačila důleţitost prozatím opomíjených slunolamů, které mnohdy plní i role pochozích nosníků pro snadnou údrţbu prosklení, dešťových ochran aj. Jako velmi vhodné se jeví řešení kombinace slunolamů a exteriérových ţaluzií, kdy se volí slunolam menší hloubky a výsledný design i nadále můţe zůstat čistý. Pro nové stavby kancelářských budov se značnou mírou prosklení však lze doporučit i pečlivé zvolení vnitřní skladby stavebních materiálů pro vyuţití alternativních systémů chlazení, vhodný výběr orientace osluněné fasády, nejúspornější výběr okenních konstrukcí spolu s moţností uplatnit alternativní způsoby chlazení.

Bc. Ondřej Soudek

S t r a n a | 46


10

SEZNAM POUŢITÉ LITERATURY

[1]

Passerrinvest group [online] dostupné na WWW http://www.passerinvest.cz/fotogalerie/detail/budova-alpha-01.jpg

[2]

Technická zpráva budovy ALPHA

[3]

Obrázkový archiv Microsoft ČR, spol. s r. o.

[4]

ČUPROVÁ, Danuše. Stínící technika. Brno, 2006. 126 s. ISBN 80-7366-046-6

[5]

JOKL, V. Miroslav. Přirozená klimatizace. Brno, 2004. 79 s. ISBN 80-86517-84-5

[6]

examiner.com [online] Dostupné na WWW http://www.examiner.com/international-travel-in-milwaukee/londonheathrow-terminal-5-revolutionizes-air-travel

[8]

Warema ţaluzie, katalog [online] Dostupné na WWW http://www.slunce-stin.cz/Files/file/technicke-nakresy/venkovnizaluzie/venkovni-zaluzie_2007_CZ.pdf

[7]

Sean Karns Photography [online] Dostupné na WWW http://www.seankarns.com/index.php/main/projects/pepsico_headquartes

[9]

GEBAUER, Günter. Vzduchotechnika. Brno, 2005. 120 s. ISBN 80-7366_027-X

[10]

iMateriály [online] Dostupné na WWW: http://www.imaterialy.cz/Clanky/Alternativni-nizkoenergeticke-chlazenibudov.html

[11]

HUMM, Othmar. Nízkoenergetické domy (první české vydání). Praha, 1999. 360 s. ISBN 80-7169-657-9

[12]

Miroslav Sázovský, nezávislý specialist na sklo [online] Dostupné na WWW http://www.sazovsky.cz/novinky/solarni-faktor-nebo-stinicikoeficient-skla/].

[13]

PUŠKÁR, A., FUČILA, J., SZOMOLÁNYIOVÁ, K., MRLÍK, J. Okna, dveře, prosklené stěny. Bratislava, 2003. 254 s. ISBN 80-88905-47-8

[14]

ASB Portál, architektura, stavebnictví, byznys [online] Dostupné na WWW: http://www.asb-portal.cz/stavebnictvi/konstrukce-a-prvky/oknadvere/stinici- prvky- soucast-moderni-stavby-2346.html

Bc. Ondřej Soudek

S t r a n a | 47


[15]

TZB – Technická zaţízení budov [online] Dostupné na WWW: http://www.tzb-info.cz/2515-vyuziti-adiabatickeho-chlazeni-pri-klimatizacibudov

[16]

CHYSKÝ, Jaroslav, HEMZAL, Karel a kol. Technický průvodce - Větrání a klimatizace. Praha, 1993. 560 s. ISBN 80-901574-0-8

[17]

TZB – Technická zaţízení budov [online] Dostupné na WWW: http://www.tzb-info.cz/2566-tepelne-zisky-z-vnitrnich-vybaveniadministrativnich-budov

Bc. Ondřej Soudek

S t r a n a | 48


SEZNAM PŘÍLOH

Příloha 1:

Půdorys 5 NP budovy ALPHA

Příloha 2:

Průběhy teplot ve fiktivní kanceláři dle geografické orientace v měsících květen – srpen a ve dvou typických letních dnech 23. a 24. července.

Bc. Ondřej Soudek

S t r a n a | 49


SEZNAM POUŢITÝCH SYMBOLŮ symbol jednotka a [°]

popis sluneční azimut

b

[-]

stínící faktor

c0

[-]

korekce na čistotu atmosféry

c1

[-]

součinitel současnosti pouţívání

c2

[-]

zbytkový součinitel

c3 g h I

[-] [-] [°] [w.m-2]

součinitel průměrného zatíţení stroje solární faktor výška slunce nad obzorem intenzita sluneční radiace

I0

[w.m-2]

sluneční konstanta

I0d

[w.m-2]

intenzita difůzního záření procházející jednoduchým zasklením

ID

[w.m-2]

intenzita difůzního záření

IP

[w.m-2]

k0

-2

[W.m .K ]

součinitel prostupu tepla okna

nd

[-]

počet dětí

nl

[-]

počet lidí

nm

[-]

počet muţů

nţ P

[-] [W]

počet ţen příkon

Ql

[W]

produkce tepla lidí

Qok

[W]

tepelný tok oknem konvekcí

Qor

[W]

tepelný tok oknem radiací

Qs

[W]

tepelný tok stěnou

QSV s

[W] [-]

produkce tepla svítidel stínící součinitel

S0

[m2]

plocha okna vč. rámu

intenzita přímého záření -1

2

S0S

[m ]

osluněný povrch okna

te

[°C]

venkovní teplota

ti U δ

[°C] [W.K-1.m-2] [°]

vnitřní teplota součinitel prostupu tepla sluneční deklinace

Bc. Ondřej Soudek

S t r a n a | 50


SEZNAM OBRÁZKŮ

Obr. 1 Budova Alpha, ul. Vyskočilova, Praha ...................................................11 Obr. 2 Umístění budovy Alpha...........................................................................12 Obr. 3 Vnější stínění budovy ALPHA – slunolamy 3. NP ..................................14 Obr. 4 Architektonické řešení terminálu letiště Heathrow a budovy vedení Pepsi.......................................................................................................17 Obr. 5 Poloha Slunce v naší zemi v průběhu roku.............................................18 Obr. 6 Úhel Slunce v závislosti na měsících......................................................19 Obr. 7 Světelná a energetická charakteristika prostupu záření oknem.............21 Obr. 8 Horizontální slunolam.............................................................................22 Obr. 9 Exteriérové ţaluzie..................................................................................23 Obr. 10 Vnitřní stínění........................................................................................24 Obr. 11 Průběh teplot v měsíci červenec...........................................................25 Obr. 12 Členění prostoru 5NP do jednotlivých zón............................................28 Obr. 13 Grafické rozhraní TRNSYS 16.1...........................................................29 Obr. 14 TRNBuilt Manager, rozspis zón............................................................30 Obr. 15 Průběh chlazení....................................................................................32 Obr. 16 Průběh vytápění ...................................................................................32 Obr. 17 Stávající stav stínění budovy APLHA...................................................33 Obr. 18 Vizualizace horních slunolamů............................................................34 Obr. 19 Orientace oken......................................................................................35 Obr. 20 Rozměry fiktivní kancelářské místnosti.................................................40

Bc. Ondřej Soudek

S t r a n a | 51

Půdorys 5NP

Průběh teplot v kanceláři s východně orientovanou stranou 50 45 40 °C

kombi 35

HS1000 HS500

30

žaluzie bez stínění

25 20 2880

3880

4880

hodiny Graf 9 – Průběh teplot - východ Průběh teplot ve dnech 23. a 24. červnence 50 45 kombi

°C

40

HS1000

35

HS500

30

žaluzie

25

bez stínění

20 4896

4906

4916 4926 hodiny

4936

Graf 10 – Průběh teplot 23. a 24. 7. - východ

Průběh teplot v kanceláři se západně orientovanou stranou 50

45

40

°C

Kombi HS1000

35

HS500 Žaluzie

30

Bez stínění

25

20 2880

3380

3880

4380 Hodiny

4880

5380

Graf 11 – Průběh teplot - západ Průběh teplot ve dnech 23. a 24. červnence

50 45 kombi

°C

40

HS1000

35

HS500

30

Žaluzie

25

Bez stínění

20 4896

4906

4916 4926 hodiny

4936

Graf 12 – Průběh teplot 23. a 24. 7. - západ

Průběh teplot v kanceláři s jiţně orientovanou stranou 50 45

°C

40

kombi HS1000

35

HS500 30


25 20 2880

3380

3880

4380 hodiny

4880

5380

Graf 13 – Průběh teplot – jih Průběh teplot ve dnech 23. a 24. červnence 50 45

°C

40

kombi

35

HS1000

30

HS500

žaluzie

25 20 4896

bez stínění 4906

4916 4926 hodiny

4936

Graf 14 – Průběh teplot 23. a 24. 7. - jih

Průběh teplot v kanceláři s jiţně a východně orientovanou stranou 50 45

°C

40

kombi HS1000

35

HS500 30


25 20 2880

3380

3880

4380 hodiny

4880

5380

Graf 15 – Průběh teplot – jih, východ Průběh teplot ve dnech 23. a 24. červnence 50 45

°C

40

kombi

35

HS1000

30

HS500

žaluzie

25 20 4896

bez stínění 4906

4916 4926 hodiny

4936

Graf 16 – Průběh teplot 23. a 24. 7. – jih, východ

Průběh teplot v kanceláři s jiţně a západně orientovanou stranou 50 45

°C

40

kombi HS1000

35

HS500 30


25 20 2880

3880

4880 hodiny

Graf 17 – Průběh teplot – jih, západ Průběh teplot ve dnech 23. a 24. červnence 55 50

°C

45

kombi

40

HS1000

35

HS500 žaluzie

30 25 4896

bez stínění 4906

4916 4926 hodiny

4936

Graf 18 – Průběh teplot 23. a 24. 7. – jih, západ

DIPLOMOVÁ PRÁCE VUT FSI

Recommend Documents